基于悬空纳米薄膜硅基微盘谐振腔的CO₂传感器

近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院的光子芯片实验室与深圳大学合作，研发了一种基于悬空纳米薄膜硅基（suspended nanomembrane silicon，SNS）微盘谐振腔的CO₂传感器，成果以"Suspended nanomembrane silicon micro-disk for cross-sensitivity-free, high-concentration, large-dynamic range CO₂sensing"为题发表在《Sensors and Actuators: B. Chemical》期刊上。

高浓度二氧化碳（CO₂）传感在食品保鲜、工业过程等领域具有广泛应用。硅基微型谐振器件因其高灵敏度和紧凑结构成为高浓度CO₂折射率传感的理想器件之一。通过检测微型谐振器件倏逝场与CO₂作用引起的器件光模式有效折射率的微小变化，可以实现高精度气体浓度测量。然而，硅的高热光系数导致这类传感器对温度变化极为敏感。即使采用温控装置稳定环境温度，芯片局部温度波动仍会引入显著的测量误差，这一交叉敏感问题严重制约了传感器的应用。

为解决这一问题，本研究提出了一种新型的基于SNS微盘谐振腔的气体检测方法。利用SNS微盘谐振腔中两个模式对温度和CO2气体浓度的线性不相关响应特性，实现片上双参量双模式传感，解决了温度的交叉敏感问题。如图1所示，SNS微盘谐振腔采用70 nm厚的顶层硅设计，通过湿法刻蚀去除氧化埋层（BOX），形成具有空气包层的悬空结构。同时，SNS微盘的超薄设计显著抑制了微盘中的模式重叠，提升了传感性能。

图1.中红外SNS波导微环谐振腔和SWG光栅耦合器示意图。

所制作的SNS波导测试结果如图2所示。图2a-图2c为SNS器件的扫描电镜图。图2d是将光耦合到SNS微盘谐振腔中所使用的SNS亚波长光栅耦合器的功率谱线。图2e展示了SNS微盘谐振腔的归一化透射谱线，其中，模式1和模式2的品质因子分别为1.7×104和~1.5×104，展现出良好的双模传感潜力。

图2. SNS波导器件表征结果。(a) SNS波导器件扫描电镜图像；(b) SNS微盘谐振腔的侧视图；(c) SNS微盘谐振腔与总线波导耦合区域的扫描电镜放大图像; (d) SNS亚波长光栅耦合器功率谱线; (e) SNS微盘谐振腔的归一化透射谱线；（f）模式1的归一化透射谱线；（g）模式2的归一化透射谱线。

图3 SNS微盘谐振腔的CO₂浓度与温度传感实验结果。(a)模式1和模式2在50% CO₂(实线)和纯N₂(虚线)环境下中的透射谱；(b)模式1和模式2在25.00℃(虚线)和25.20℃(实线)环境下的透射谱；(c)不同CO₂浓度下的SNS微盘谐振腔谐振峰偏移量；(d)不同温度下的SNS微盘谐振腔谐振峰偏移量；(e) CO₂浓度与温度同时变化时的SNS微盘谐振腔的归一化透射谱。

论文对SNS微盘的CO2传感能力进行了测试，如图3所示。实验结果表明，模式2的CO2触感灵敏度高于模式1，温度传感灵敏度低于模式1，实验结果与仿真结果基本一致。同时，通过构建、测试传感传递矩阵，实现了温度与CO2气体浓度的解耦。100% CO₂下气体浓度传感误差仅1.87%，验证了该方法的可行性，为硅基光子芯片在气体传感领域的应用开辟了新途径。

本论文第一作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院的硕士研究生郎玘玥，通信作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院的程振洲教授、张尊月副研究员，以及深圳大学物理与光电工程学院的王佳琦副教授。该工作得到了国家重点研发计划课题（2024YFF0907701、2024YFF0907702）；国家自然科学基金（62175179, 62161160335, 62475188）天津市自然科学基金(23JCJQJC00250)和广东省自然科学基金(2022B1515130002, 2023A1515011189)的项目支持。